CN112067697A - 一种基于激光超声b扫查的定位缺陷方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法，在金属材料表面进行B扫查，获取B扫信号；对B扫信号进行预处理后分解为不同的频带，并提取纵波缺陷回波的波峰时刻，获得每个扫查点纵波的传播路程；以激励激光点与接收激光点为椭圆两焦点，以纵波传播路程为椭圆长轴，绘制n个椭圆；求解相邻椭圆交点，并将交点按顺序相连，得到缺陷的轮廓及缺陷位置坐标。本发明以具有内部缺陷的金属材料为目标验证对象，借助激光超声检测平台，通过B扫查的方式利用纵波检测其某一纵切面内的内部缺陷，辅以信号降噪及特征提取等手段，实现对B扫信号的重构，从检出缺陷的形状、大小及位置等信息，达到缺陷的可视化定量识别的目的。

Description

一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法

技术领域

本发明涉及激光超声波检测技术领域，具体涉及一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法。

背景技术

激光超声技术利用激光脉冲在被检测工件中激发超声波，并用激光束探测超声波的传播,从而获取工件信息，比如工件厚度、内部及表面缺陷，材料参数等等。其接合了超声检测的高精度和光学检测非接触的优点，相比较传统超声更适用于高温、高压、强腐蚀等严苛的工作环境及自动化的检测过程，现已成为无损检测领域的重要手段。

由于激光超声波检测缺陷时不同激发模式激发的超声波信号的传播特点以及应用场合不同，激光超声波检测缺陷可以分为单点激发模式(A扫)、线扫描模式(B扫)、面扫描模式(C扫)下的激光超声缺陷检测。其中B扫相较于A扫可检测缺陷的更多信息，相较于C扫具有更好的实时性及更高的检测效率，但其结果形式为多个A扫信号的堆叠，无法直观体现缺陷的位置、形状及大小等信息。

发明内容

本发明目的是提供一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法，其结果相比较B扫原始信号更直观，可实现缺陷定位定形。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法，包括以下步骤：

1)在金属材料表面进行B扫查，获取B扫信号；

2)对B扫信号进行预处理，得到预处理后的信号；

3)将预处理后的信号分解为不同的频带，并提取纵波缺陷回波的波峰时刻；

4)根据缺陷回波的波峰时刻获得每个扫查点纵波的传播路程；

5)以激励激光点与接收激光点为椭圆两焦点，以每个扫查点纵波的传播路程为椭圆长轴，绘制n个椭圆；

6)求解相邻椭圆交点，得到交点Q_i(x_Qi,y_Qi)，i＝1,2,…,n，按i从小到大的顺序将交点Q_i(x_Qi,y_Qi)相连，得到缺陷的轮廓及缺陷位置坐标。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，采用激励激光与接收激光等间距同时移动的方式在金属材料表面进行B扫查，获取B扫信号。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，对B扫信号进行时域平均、带通滤波及去除延迟预处理，得到预处理后的信号。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，将纵波缺陷回波的波峰时刻乘以金属材料中纵波波速，获得每个扫查点纵波的传播路程。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，椭圆的表达式如下：

式中，f为激光收发距离，s为扫查步长，i为扫查点序号(扫查点数量是n)，a_i为半长轴，b_i为半短轴。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明以具有内部缺陷的金属材料为目标验证对象，借助激光超声检测平台，通过B扫查的方式利用纵波检测其某一纵切面内的内部缺陷，辅以信号降噪及特征提取等手段，实现对B扫信号的重构，从检出缺陷的形状、大小及位置等信息，达到缺陷的可视化定量识别的目的。具体优点如下：

1.本发明采用缺陷信息自动提取方法，自动提取B扫信号中每个扫查点纵波缺陷回波的波峰时刻，避免了手动选取的繁琐及误差；

2.本发明以相邻椭圆交点近似代替缺陷反射点的思想，克服了在未知缺陷时无法求解缺陷回波反射点的问题。

进一步的，本发明采用激励源与接收器等间距同时移动的方式，相较于一端固定一端移动的方式更适合集成于复杂形状金属制造过程中的在线检测。

进一步的，本发明对B扫信号法采用的去除延迟可解决信号接收与激光发射不同步的问题，时域平均、带通滤波可提高信号信噪比，突出缺陷信号特征。

进一步的，本发明利用B扫信号中超声波传播时长及波速获取其传播路径，找到缺陷上回波反射点位置，从而绘制缺陷轮廓，使B扫信号有了更清晰、直观的表达，缺陷位置、部分形状及大小一目了然，可实现缺陷的可视化定量检测。

附图说明

图1为检测方法总流程图。

图2为激光超声检测平台示意图。

图3为激光超声B扫查的缺陷定位方法示意图。

图4为椭圆定位原理示意图。

图5为椭圆集合示意图。

图6为椭圆交点近似代替回波反射点示意图。

图7为椭圆定位结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明的基于激光超声B扫查的缺陷定位方法，将B扫信号重构为图像，通过B扫方式利用纵波检测材料内部缺陷。如图1所示，包括七个部分，分别为B扫查、信号处理、提取回波波峰时刻、计算回波传播路程、绘制椭圆、计算相邻椭圆交点及输出图像，具体如下。

1)B扫查

采用激励激光与接收激光等间距同时移动的方式在铝材上表面进行B扫查，获取B扫信号，每个扫查点进行多次激励与接收。

具体的，借助现有的激光超声检测平台(如图2所示，激光超声检测平台包括激励激光器、接收激光器、镜头、信号采集系统、工控机、电动导轨等主要关键零部件。)对被测铝材多个扫查点进行B扫查。如图3所示，在被测铝材上表辐照固定的激励激光与接收激光，激光收发距离f＝5mm，同时移动电动导轨，扫查步长s＝0.1mm，扫查距离L＝15mm，扫查点数

在工控机上获取B扫信号{x_i,i＝1,2,…,n}。

采用其他的钢或钛合金等金属材料也是可以的，并且也不仅仅局限于上表面。

2)信号处理

对每个扫查点的信号x_i进行时域平均，带通滤波及去除延迟等预处理。具体过程如下：

①对信号x_i进行时域平均处理，进行初步的降噪，提高信号比；

②将经时域平均处理后的信号进行带通滤波，进行进一步的降噪，突出缺陷信号特征；

③对经带通滤波处理的信号进行去除延迟处理，去除信号采集初段空白信号，减小误差。

3)提取纵波回波波峰时刻

对经去除延迟处理后的信号进行小波包分析，将经去除延迟处理后的信号分解为不同的频带，并从中提取纵波缺陷回波的波峰时刻t_i。

4)计算纵波传播路程

由每个扫查点纵波缺陷回波的传播时间t_i乘以被测铝材中纵波波速v_L，获得每个扫查点纵波的传播路程S_i＝v_L×t_i。

5)绘制椭圆

如图4所示，已知椭圆上任一点到两个焦点的距离之和(长轴)是恒定的，那么以打在被测金属材料表面的激励激光点和接收激光点为椭圆两焦点，以每个扫查点纵波的传播路程S_i为椭圆长轴，绘制椭圆，如图5所示，则椭圆上存在某一点即是缺陷上回波反射点的位置。

椭圆的表达式为

其中，半焦距

f为激光收发距离，s为扫查步长，半长轴

半短轴

i为扫查点数量，i＝1,2,…,n表示第i个扫查点或第i个椭圆，x、y是曲线上任意点的横、纵坐标，坐标系的原点为第一个椭圆的左焦点(激励或接收的起点)。

当i<n时，则进行步骤2)，当i≮n时，进行步骤6)。

6)相邻椭圆交点求解

相邻的两个椭圆表达式分别为

直接对两方程联立涉及的参数较多、阶次较高，难以写出解的表达式。这里考虑平移坐标系，将任意两相邻椭圆交点的问题转化为求第一个椭圆和第二个椭圆交点的问题。

将坐标系原点取为第一个椭圆的中心时，前两个椭圆的表达式分别为

将其化为一般形式为

可以注意到，两式中均没有y的一次项，所以将式(6)代入式(7)消去y²，得到关于x的一元二次方程(式8)。

交点的求解则由解二元二次方程组变为一元二次方程的求解。

由求根公式

将式(9)带入式(6)得到

为了使方程和解看起来更简洁，令

则式(8)、(9)分别变为

Ax²+Bx+C＝0 (12)

接下来为对于解的情况的讨论：

(1)Δ≥0，方程有解

①当a₁＝a₂时，A＝0，求根公式不可用，但方程变为一元一次方程(此时的情况为，相邻的两个椭圆等大)。

②当a₁≠a₂时，由求根公式

注：已根据实际条件略去了x的负值和y的正值。

(2)Δ<0，方程无解，椭圆无交点。

解得平移坐标系后的交点坐标(x_i,y_i)，令

y_Qi＝y_i得到原始坐标系下的交点Q_i(x_Qi,y_Qi)。

7)椭圆交点证明及结果输出

每一个扫查点均可以绘制一个过缺陷(即与缺陷轮廓相切)的椭圆，且缺陷上的回波反射点就是椭圆与缺陷的相切点P_i(x_Pi,y_Pi)。

为了获得缺陷与椭圆的切点P_i(x_Pi,y_Pi)，可以使用上述求解的相邻椭圆交点Q_i(x_Qi,y_Qi)来近似代替。如图6所示，当椭圆足够密集，即扫查步长s足够小时，交点Q_i(x_Qi,y_Qi)将逐渐接近切点P_i(x_Pi,y_Pi)。

下面以交点Q_i(x_Qi,y_Qi)与切点P_i(x_Pi,y_Pi)得平均距离

来表示二者得接近程度；

由实验数据得，当扫查步长s＝0.1mm时，

相比较缺陷的直径D＝3mm，

与D的比值仅为0.00173。因此，交点与切点的距离可以忽略不计，表示可以用相邻椭圆的交点来近似代替缺陷上的回波反射点。

将相邻椭圆交点Q_i(x_Qi,y_Qi)顺序相邻，即可得到缺陷的上边缘轮廓及其位置坐标，如图7所示，从而可以看出本发明的定位缺陷方法能够检出缺陷的形状、大小及位置等信息，达到缺陷的可视化定量识别的目的。

Claims (5)

1.一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在金属材料表面进行B扫查，获取B扫信号；

2)对B扫信号进行预处理，得到预处理后的信号；

3)将预处理后的信号分解为不同的频带，并提取纵波缺陷回波的波峰时刻；

4)根据缺陷回波的波峰时刻获得每个扫查点纵波的传播路程；

5)以激励激光点与接收激光点为椭圆两焦点，以每个扫查点纵波的传播路程为椭圆长轴，绘制n个椭圆；

6)求解相邻椭圆交点，得到交点Q_i(x_Qi,y_Qi)，i＝1,2,…,n，按i从小到大的顺序将交点Q_i(x_Qi,y_Qi)相连，得到缺陷的轮廓及缺陷位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法，其特征在于，步骤1)中，采用激励激光与接收激光等间距同时移动的方式在金属材料表面进行B扫查，获取B扫信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法，其特征在于，步骤2)中，对B扫信号进行时域平均、带通滤波及去除延迟预处理，得到预处理后的信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法，其特征在于，步骤4)中，将纵波缺陷回波的波峰时刻乘以金属材料中纵波波速，获得每个扫查点纵波的传播路程。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光超声B扫查的定位缺陷方法，其特征在于，步骤5)中，椭圆的表达式如下：

式中，f为激光收发距离，s为扫查步长，i为扫查点数量，a_i为半长轴，b_i为半短轴。

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